Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 35

Еще одно отличие заключается в том, что средняя мощность ЛСЭ может быть довольно высокой. Американцы продемонстрировали мощность 14 киловатт, и это, конечно, рекорд для ЛСЭ, хотя лазеры других типов могут быть более мощными. Но электронный пучок, который ЛСЭ использует как рабочее тело, может быть гораздо более мощным.

Поскольку сильных ограничений на мощность нет, есть проекты ЛСЭ на мощности в сотни киловатт. Они могут быть интересны для технологических применений, потому что для производства нужна большая мощность, так как от этого зависит производительность. Более того, существуют и другие проекты, например, подсветка (энергоснабжение) спутников.

- А какие есть ограничения на мощность у обычных лазеров?

- У многих лазеров ограничение мощности определяется тем, что после того, как рабочая среда отдает часть энергии, ее нужно заменить на другую. Например, ее можно прокачивать через рабочий объем лазера.

В ЛСЭ скорость прокачки — это скорость света, а значит, она самая высокая, какая может быть. Поэтому и мощность ЛСЭ потенциально — самая большая.

Кроме того, рабочим телом ЛСЭ является электронный пучок, который летит в магнитном поле, и так как в некотором смысле это вакуум, то ток пучка может быть довольно большим. В других лазерах, как правило, есть среда, в среде обычно бывают паразитные потери, которые ее греют, это и ограничивает среднюю мощность таких лазеров.

В рабочей среде ЛСЭ нет лишних примесей, есть только электроны, которые излучают. То есть электронный пучок, который выполняет в ЛСЭ роль среды, идеально для этого подходит.

Еще нужно отметить, что в электронных пучках средняя мощность (произведение энергии электрона на ток пучка), может быть очень большой, и нужно просто суметь отобрать часть этой мощности. Например, в электронных накопителях энергия электрона — несколько ГэВ, и ток может быть 1 ампер, и получаем один гигаватт средней мощности. Если от них отобрать хотя бы одну тысячную, то уже будет довольно большая мощность (в нашем примере — один мегаватт).

На самом деле электронные накопители для мощных ЛСЭ не подходят, но наш пример демонстрирует, что в электронных пучках может быть большая средняя мощность. Итак, для мощных ЛСЭ нужен мощный электронный пучок. Чтобы его получить, надо построить специальный ускоритель, так называемый ускоритель-рекуператор. Этим мы и занимаемся.

- Где, когда и кем были построены первые ЛСЭ?

- ЛСЭ являются ближайшими родственниками вакуумных электронных сверхвысокочастотных (СВЧ) приборов магнетронов, клистронов и, особенно, ламп бегущей волны. В них тоже используется электронный пучок, и тоже часть его мощности переводится в мощность электромагнитных волн, только длины волн другие. Поэтому к ЛСЭ люди подходили с разных сторон. Одна из сторон: это просто совершенствование вакуумных электронных СВЧ приборов.

Одним из первых шагов в создании ЛСЭ можно считать статью П. Л. Капицы и П. А. М. Дирака (1933), где был описан так называемый эффект Капицы-Дирака, то есть вынужденное комптоновское рассеяние, происходящее вследствие группировки электронов в поле стоячей электромагнитной волны. В некотором смысле этот эффект лежит в основе устройства ЛСЭ, но работа П. Л. Капицы и П. А. М. Дирака была надолго забыта, потому что тогда этому не нашлось практического применения.

Затем В.Л. Гинзбургом в 1947 году были предложены ондуляторы. Это такие устройства, в которых электроны летят по периодически искривленной траектории (она напоминает синусоиду). В ондуляторах электроны излучают довольно интенсивно.

Изначально они были предложены для того, например, чтобы детектировать космические лучи. В. Л. Гинзбург рассчитал параметры этого излучения — его спектральные свойства и угловую направленность.

После этого в 50-е гг, в Америке Ганс Моц построил такую магнитную систему, и называл ее «ондулятор». Он поставил ее на электронный пучок линейного ускорителя, измерил параметры излучения и показал, что, действительно, электроны в такой системе могут интенсивно излучать. Потом ондуляторы были использованы и для генерации рентгеновского излучения в современных накопителях, то есть не на ЛСЭ, а просто как источники спонтанного рентгеновского излучения. Они были использованы и в ЛСЭ.

В 1960 г в Америке Р. Н. Филлипс построил СВЧ прибор, генератор сверхвысокочастотных волн, который назывался убитроном. В нем электроны проходили через ондулятор (то есть все было как в ЛСЭ), но только электронный пучок имел довольно низкую энергию. В результате длина волны была сантиметровой, а не миллиметровой, или субмиллиметровой, как в современных ЛСЭ. Это еще один этап в создании ЛСЭ в их современном понимании.